Technische Thermodynamik

Technische Thermodynamik Peter von Böckh • Matthias Stripf Technische Thermodynamik Ein beispielorientiertes Einführungsbuch 2., neu bearbeitete un...
Author: Berthold Bösch
3 downloads 3 Views 898KB Size
Technische Thermodynamik

Peter von Böckh • Matthias Stripf

Technische Thermodynamik Ein beispielorientiertes Einführungsbuch 2., neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2015

Peter von Böckh Karlsruhe Deutschland

Matthias Stripf Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Karlsruhe Deutschland

ISBN 978-3-662-46889-0           ISBN 978-3-662-46890-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-46890-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Gewidmet unseren Frauen Brigitte und Ana. Wir danken ihnen für ihre Unterstützung, Geduld und Korrekturen.

Vorwort

Dieses Buch basiert auf dem Buch „Grundlagen der technischen Thermodynamik“, das ich mit meinen lieben Koautoren Juraj Cismar und Willy Schlachter 1999 schrieb und das beim Verlag Sauerländer verlegt wurde. Die während sieben Jahren in Vorlesungen, bei Übungen und im Laborbetrieb gemachten Erfahrungen mit dem Buch zeigten, dass bezüglich der didaktischen Konzepte und auch inhaltlich ein Verbesserungspotential vorhanden ist, was aber eine gründliche Überarbeitung bedeutete. Sauerländer hat die Hochschulbüchersparte auf- und das Buch freigegeben. Die beiden Koautoren standen aus Zeitmangel für eine verbesserte Version des Buches leider nicht mehr zur Verfügung und stellten mir frei, die überarbeitete Version des Buches unter meinem Namen neu zu veröffentlichen. Mit dem jetzt gewonnenen Koautor Matthias Stripf konnte das Buch überarbeitet und aus dem ,,Dornröschenschlaf “ geweckt werden. Didaktisch orientiert sich das Werk an den hervorragenden amerikanischen Lehrbüchern „Fundamentals of Engineering Thermodynamics“ von M. J. Moran und H. N. Shapiro und „Thermodynamics, an Engineering Approach“ von Y. A. Cengel und N. A. Boles. Die Strukturierung des Buches wurde der Reihenfolge der Wissensvermittlung angepasst. Die Verständlichkeit für Studenten konnte verbessert werden. Zusätzlich wurden zugefügt: neue Beispiele, erweitertes Kapitel „Adsorptionskältemaschinen“ und Stoffwertberechnungen. Das vorliegende Buch orientiert sich neu an aktuellen Medien und E-Learning. Die folgenden Ziele waren bei der Überarbeitung des Buches relevant: • klare und strukturierte Darstellung der Grundlagen • Definition des Systems, klares Festlegen der Systemgrenzen, Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen dem betrachteten System und dessen Umgebung • Veranschaulichung und Analyse technischer Prozesse anhand von Idealprozessen unter anschließender Berücksichtigung des realen Prozesses nach stets gleicher Methodik • Vermittlung der Anwendung von Bilanzgleichungen der Erhaltungsgrößen Masse und Energie auf technische Probleme • Erlernen der Benutzung des zweiten Hauptsatzes bei Entropie- und Exergieanalysen • Vermittlung des Umgangs mit thermodynamischen Diagrammen VII

VIII

Vorwort

• Vertiefung und Illustration theoretischer Grundlagen anhand vieler praktischer Beispiele • Erklärung der Benutzung von Tabellen und Diagrammen zur Bestimmung der Stoffwerte im Anhang. Diese Grundlagen sind so zusammengestellt, dass die Studierenden in die Lage versetzt werden, thermodynamische Prozesse und Maschinen zu verstehen und analytisch zu behandeln. Sie können sich während des Studiums mit Hilfe des Buches und den darin enthaltenen Beispielen für die Prüfungen, Klausuren vorbereiten und die Laborübungen auswerten. Später in der Praxis sind sie in der Lage, Prozesse zu berechnen und zu optimieren. Die Diagramme und Tabellen können in der Praxis benutzt werden. Der Stoffumfang entspricht den einführenden Kursen in technischer Thermodynamik an Universitäten und Fachhochschulen für Maschinenbau-, Versorgungs- und Verfahrensingenieure. Die für die hier behandelten Prozesse wichtigen Gebiete der Stoff- und Wärmeübertragung sowie der Fluidmechanik wurden nicht besprochen, da diese in spezielle Fachbücher gehören. Im Internet sind unter www.thermodynamik-online.de folgende Unterlagen abrufbar: • • • •

Mathcad-Programme der im Buch berechneten Beispiele Stoffwertprogramme CoolProp mit Mathcad 15 und Prime 3.0 Mollier-h,s-Diagramm, log p,h-Diagramme, h,x-Diagramm als pdf-Dokumente Stoffwertprogramme für ideale Gase Rauchgase unter Berücksichtigung der Dissoziation als Mathcad-Programme

Die Berechnungsprogramme der im Buch aufgeführten Beispiele eignen sich in der industriellen Praxis zur Behandlung ähnlicher Probleme. Frau Brigitte von Böckh hat zum Gelingen des Buches wesentlich beigetragen. Sie hat die Texte und formale Ausführung von Formeln, Bildern und Tabellen akribisch begutachtet und aufwändige Korrekturarbeiten durchgeführt. Durch ihre stilistischen Hinweise wurde die Lesbarkeit des Buches wesentlich verbessert. Dafür danken wir ihr herzlichst. Karlsruhe, Sommer 2015 

Peter von Böckh Matthias Stripf

Fragen und Kommentare können Sie an unsere E-Mail-Adressen [email protected] und [email protected] senden.

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung und Definitionen ������������������������������������������������������������������������������    1 1.1 Womit beschäftigt sich die Thermodynamik? ��������������������������������������������    1 1.2 Thermodynamisches System ����������������������������������������������������������������������    2 1.2.1 Systeme ��������������������������������������������������������������������������������������������    2 1.2.2 Eigenschaften der Systeme ��������������������������������������������������������������    4 1.3 Thermodynamische Prozess- und Zustandsgrößen ��������������������������������������    5 1.3.1 Prozess- und Zustandsgrößen ����������������������������������������������������������    5 1.3.2 Prozess, Zustandsänderung, Gleichgewicht ������������������������������������    6 1.4 Spezielle Zustandsänderungen ��������������������������������������������������������������������    8 1.5 Methodik der thermodynamischen Prozessanalyse ������������������������������������    9 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������   15 2  Eigenschaften der Stoffe ������������������������������������������������������������������������������������  17 2.1 Formulierung des Zustands ��������������������������������������������������������������������������  17 2.1.1 Klassifizierung der Zustandsgrößen ������������������������������������������������  17 2.1.2 Eigenschaften der Zustandsgrößen ��������������������������������������������������  18 2.2 Thermische Zustandsgrößen ������������������������������������������������������������������������  18 2.2.1 Dichte und spezifisches Volumen ����������������������������������������������������  19 2.2.2 Druck ������������������������������������������������������������������������������������������������  23 2.2.3 Temperatur ��������������������������������������������������������������������������������������  26 2.2.4 Thermometer und Temperaturskala ������������������������������������������������  28 2.3 Energetische Zustandsgrößen ����������������������������������������������������������������������  30 2.4 Thermische Zustandsgrößen reiner Substanzen ������������������������������������������  31 2.4.1  p ,v,T-Fläche �������������������������������������������������������������������������������������  32 2.4.2  p,T-Diagramm ����������������������������������������������������������������������������������  33 2.5 p,v-Diagramm ����������������������������������������������������������������������������������������������  36 2.5.1 Phasenübergänge ������������������������������������������������������������������������������  36 2.6 Tabellen und Programme der Zustandsgrößen ��������������������������������������������  39 2.6.1 Thermische und energetische Zustandsgrößen ��������������������������������  40 2.6.2 Programme der Zustandsgrößen ������������������������������������������������������  40 IX

X

Inhaltsverzeichnis

2.7 Zustandsgleichungen energetischer Zustandsgrößen ����������������������������������  43 2.7.1 Enthalpie ������������������������������������������������������������������������������������������  43 2.7.2 Innere Energie ����������������������������������������������������������������������������������  44 2.7.3 Referenzzustände und Referenzwerte ����������������������������������������������   45 2.7.4 Näherungswerte für Flüssigkeiten ��������������������������������������������������  47 2.8 Ideale Gase ��������������������������������������������������������������������������������������������������  49 2.8.1 Thermische Zustandsgleichungen ����������������������������������������������������  49 2.8.2 Energetische Zustandsgrößen ����������������������������������������������������������   52 2.8.3 Zustandsänderung idealer Gase ������������������������������������������������������   56 2.9 Reale Gase ��������������������������������������������������������������������������������������������������  60 2.9.1 Realgasfaktor ����������������������������������������������������������������������������������  60 2.9.2 Theorem korrespondierender Zustände ������������������������������������������  61 2.10 Gasmischungen ��������������������������������������������������������������������������������������������  66 2.10.1 Mischung idealer Gase ��������������������������������������������������������������������  66 2.10.2 Mischung realer Gase ����������������������������������������������������������������������   75 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  78 3  Erster Hauptsatz der Thermodynamik ������������������������������������������������������������  79 3.1 Verschiedene Arten der Energie ������������������������������������������������������������������  79 3.1.1 Arbeit, kinetische und potentielle Energie ��������������������������������������  79 3.1.2 Arbeitstransfer zu einem System ����������������������������������������������������  82 3.1.3 Leistung ��������������������������������������������������������������������������������������������  83 3.1.4 Volumenänderungsarbeit ������������������������������������������������������������������  83 3.1.5 Druckänderungsarbeit ����������������������������������������������������������������������   85 3.1.6 Dissipationsarbeit ����������������������������������������������������������������������������  86 3.1.7 Verschiebearbeit, effektive Arbeit, Nutz- und Kolbenarbeit ������������  88 3.2 Innere Energie eines Systems ����������������������������������������������������������������������  90 3.3 Energieform Wärme ������������������������������������������������������������������������������������  91 3.4 Erster Hauptsatz der Thermodynamik ��������������������������������������������������������  93 3.5 Energieanalyse geschlossener Systeme ������������������������������������������������������  94 3.5.1 Energiebilanz stationärer Zustandsänderungen ������������������������������  94 3.5.2 Energiebilanz instationärer Zustandsänderungen ����������������������������  101 3.6 Energieanalyse offener Systeme ������������������������������������������������������������������   105 3.6.1 Erhaltung der Masse im offenen System ����������������������������������������   105 3.6.2 Erhaltung der Energie im offenen System ��������������������������������������� 110 3.6.3 Energiebilanzgleichung ��������������������������������������������������������������������� 112 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  126 4  Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik ����������������������������������������������������������  127 4.1 Einführung ��������������������������������������������������������������������������������������������������  127 4.1.1 Richtung natürlicher Ausgleichsprozesse ����������������������������������������  127 4.1.2 Ausgleichsprozess mit Arbeitsgewinn ��������������������������������������������  130

Inhaltsverzeichnis

XI

4.2 Formulierungen des zweiten Hauptsatzes ����������������������������������������������������  131 4.2.1 Forderungen an den zweiten Hauptsatz ������������������������������������������  131 4.2.2 Formulierung von Clausius ��������������������������������������������������������������  132 4.2.3 Formulierung von Thomson (Lord Kelvin) und Planck ������������������  132 4.2.4 Äquivalenz der Formulierung von Clausius und Kelvin-Planck ����  134 4.3 Umkehrbarkeit der Prozesse ������������������������������������������������������������������������   135 4.3.1 Irreversible Prozesse ������������������������������������������������������������������������   135 4.3.2 Reversible Prozesse ������������������������������������������������������������������������  136 4.3.3 Intern reversible Prozesse ����������������������������������������������������������������  137 4.4 Analytische Form der Kelvin-Planck-Formulierung ����������������������������������  137 4.5 Zweiter Hauptsatz für Kreisprozesse ����������������������������������������������������������  139 4.5.1 Auswirkung auf Wärmekraftmaschinen ������������������������������������������  139 4.5.2 Auswirkung auf thermische Arbeitsmaschinen ��������������������������������  142 4.6  K  elvin-Temperaturskala ������������������������������������������������������������������������������  143 4.7 Obergrenze der Nutzung reversibler Kreisprozesse ������������������������������������   145 4.7.1 Thermische Kraftmaschinenprozesse ����������������������������������������������   145 4.7.2 Kälteanlagen und Wärmepumpen ����������������������������������������������������  147 4.8 Entropie ��������������������������������������������������������������������������������������������������������   151 4.8.1 Analytische Formulierung des zweiten Hauptsatzes ������������������������   151 4.8.2 Zustandsgröße Entropie ������������������������������������������������������������������   155 4.8.3 Berechnung der Zustandsgröße Entropie reiner Substanzen ����������   156 4.8.4 Entropieänderung der Mischungen idealer Gase ����������������������������  162 4.8.5 Fundamentalgleichungen ����������������������������������������������������������������   165 4.9 Entropiediagramme ��������������������������������������������������������������������������������������  167 4.9.1 Temperatur-Entropie-Diagramm (T, s-Diagramm) ��������������������������  167 4.9.2  M  ollier-h, s-Diagramm des Wasser ������������������������������������������������  168 4.9.3  T, s-Diagramm idealer Gase ������������������������������������������������������������  173 4.10 Isentrope Zustandsänderungen ��������������������������������������������������������������������   175 4.11 Isentrope Zustandsänderung idealer Gase ��������������������������������������������������   175 4.12 Entropiebilanzgleichungen ��������������������������������������������������������������������������  184 4.12.1 Entropiebilanzgleichungen für geschlossene Systeme ��������������������  184 4.12.2 Irreversibilität des Wärmeübergangs ����������������������������������������������  187 4.12.3 Entropiebilanz für offene Systeme ��������������������������������������������������  189 4.12.4 Entropiebilanz für stationäre offene Systeme ����������������������������������  190 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  192 5  Energie, Exergie und Anergie ����������������������������������������������������������������������������   195 5.1 Einleitung ����������������������������������������������������������������������������������������������������   195 5.2 Arbeitsverfügbarkeit, Exergie und Anergie ������������������������������������������������  197 5.3 Umgebung und Umwelt ������������������������������������������������������������������������������  198 5.4 Ermittlung der Exergie ��������������������������������������������������������������������������������  199 5.4.1 Exergie eines geschlossenen Systems ����������������������������������������������  201 5.4.2 Exergie eines offenen Systems ��������������������������������������������������������  210

XII

Inhaltsverzeichnis

5.5 Exergiebilanzen �������������������������������������������������������������������������������������������  210 5.5.1 Geschlossenes System ��������������������������������������������������������������������  210 5.5.2 Offene Systeme ��������������������������������������������������������������������������������  213 5.6 Exergieanalysen ������������������������������������������������������������������������������������������  218 5.6.1 Exergieanalyse der Primärenergien �������������������������������������������������  218 5.6.2 Exergieanalyse adiabater Maschinen ����������������������������������������������  221 5.6.3 Exergieanalyse von Wärmeübertragern ������������������������������������������  222 5.6.4 Exergetischer Wirkungsgrad von Anlagen ��������������������������������������  223 5.7 Exergie-Anergie-Flussbilder ������������������������������������������������������������������������  224 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  227 6  Anwendung bei technischen Prozessen ������������������������������������������������������������  229 6.1 Analyse technischer Prozesse ����������������������������������������������������������������������  229 6.1.1 Anwendungsgebiete ������������������������������������������������������������������������  230 6.1.2 Einteilung thermischer Maschinen ��������������������������������������������������  230 6.1.3 Thermische Kreisprozesse ��������������������������������������������������������������  231 6.1.4 Wirkungs- und Leistungsgrade thermischer Prozesse ��������������������  231 6.2 Spezialfälle der Zustandsänderungen und Prozesse ������������������������������������  234 6.2.1 Beispiele spezieller Zustandsänderungen ����������������������������������������  234 6.3 Kompressoren und Verdichter ���������������������������������������������������������������������   253 6.3.1 Innere Wirkungsgrade ����������������������������������������������������������������������   253 6.3.2 Zwischenkühlung bei Kompressoren und Verdichtern ��������������������   254 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������   258 7 Dampfturbinenprozesse �������������������������������������������������������������������������������������   259 7.1 Einleitung ����������������������������������������������������������������������������������������������������   259 7.2 Clausius-Rankine-Prozess ��������������������������������������������������������������������������  261 7.3 Maßnahmen zur Wirkungsgradverbesserung ����������������������������������������������  263 7.3.1 Carnotisierung des Prozesses ����������������������������������������������������������  263 7.3.2 Überhitzung und Zwischenüberhitzung ������������������������������������������  264 7.3.3 Irreversibilitäten und Verluste ����������������������������������������������������������  267 7.4 Dampfkreisprozess im Mollier-h,s-Diagramm ��������������������������������������������  268 7.5 Dampfkreisprozess mit regenerativer Vorwärmung ������������������������������������  278 7.5.1 Mischvorwärmer ������������������������������������������������������������������������������  280 7.5.2 Oberflächenvorwärmer ��������������������������������������������������������������������   285 7.5.3 Mehrstufige regenerative Vorwärmung ��������������������������������������������  292 7.6 Kraft-Wärme-Kopplung ������������������������������������������������������������������������������  300 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������   305 8  Gasturbinen- und Gasmotorenprozesse ������������������������������������������������������������  307 8.1 Prozesse der Gasmotoren ����������������������������������������������������������������������������  307 8.1.1 Arbeitsverfahren der Verbrennungsmotoren ������������������������������������  307

Inhaltsverzeichnis

XIII

8.1.2 Idealer Ottoprozess ��������������������������������������������������������������������������� 311 8.1.3 Idealer Dieselprozess ����������������������������������������������������������������������  318 8.2  Stirlingprozess ��������������������������������������������������������������������������������������������   325 8.2.1 Idealer Stirlingprozess ��������������������������������������������������������������������  326 8.2.2 Realer Stirlingprozess ����������������������������������������������������������������������  329 8.2.3  Stirlingprozess als Kältemaschinenprozess ������������������������������������  330 8.3 Gasturbinen- und Triebwerkprozesse ����������������������������������������������������������  331 8.3.1 Anwendungen ��������������������������������������������������������������������������������  331 8.3.2  Jouleprozess ����������������������������������������������������������������������������������  332 8.3.3 Verluste und Irreversibilitäten ��������������������������������������������������������  336 8.3.4 Verbesserung des Wirkungsgrades ��������������������������������������������������  341 8.4 Triebwerkprozess ����������������������������������������������������������������������������������������   351 8.4.1 Kombinierte Gas- und Dampfturbinenprozesse ������������������������������   355 8.5 Kraft-Wärme-Kopplung ������������������������������������������������������������������������������  361 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  363 9  Kältemaschinen- und Wärmepumpenprozesse ������������������������������������������������   365 9.1 Einführung ��������������������������������������������������������������������������������������������������   365 9.1.1  Linksläufiger Carnotprozess ������������������������������������������������������������  366 9.1.2 Kältemaschinen- und Wärmepumpenprozess ����������������������������������  368 9.2 Eigenschaften der Kältemittel ����������������������������������������������������������������������  369 9.2.1 Das log(p),h-Diagramm ������������������������������������������������������������������  370 9.2.2 Azeotrope Kältemittel ����������������������������������������������������������������������  371 9.2.3 Zeotrope Kältemittel ������������������������������������������������������������������������  371 9.2.4 Kriterien zur Kältemittelwahl ����������������������������������������������������������  372 9.3 Kaltdampfprozess ����������������������������������������������������������������������������������������  373 9.3.1 Idealer Kaltdampfprozess ����������������������������������������������������������������  373 9.3.2 Realer Kaltdampfprozess ����������������������������������������������������������������  376 9.3.3 Kaltdampfprozess mit Rekuperation ������������������������������������������������  379 9.3.4 Zweistufige Kompression mit Zwischenkühlung ����������������������������  381 9.4 Technische Anwendungen des Kaltdampfprozesses ������������������������������������  386 9.4.1 Kältemaschinen ��������������������������������������������������������������������������������  387 9.4.2 Wärmepumpen ��������������������������������������������������������������������������������  387 9.5 Kaltgasprozess ��������������������������������������������������������������������������������������������  392 9.5.1 Ideale Kaltluftmaschine ������������������������������������������������������������������  392 9.5.2 Realer Kaltgasprozess ����������������������������������������������������������������������  394 9.5.3 Luftverflüssigung nach dem Linde-Verfahren ��������������������������������  396 9.5.4 Kaltgasprozess mit Rekuperation ����������������������������������������������������  397 9.6 Wärmetransformationsprozesse ������������������������������������������������������������������  400 9.6.1 Thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen ��������  400 9.6.2 Wärmetransformatoren (Typ 2 Wärmepumpen) ������������������������������  403 9.7 Absorptionskältemaschinen und -wärmepumpen ����������������������������������������  404 9.7.1 Funktionsprinzip ������������������������������������������������������������������������������  404

XIV

Inhaltsverzeichnis

9.8 Adsorptionskältemaschinen und -wärmepumpen ����������������������������������������  406 9.8.1 Funktionsprinzip ������������������������������������������������������������������������������  407 9.8.2 Thermodynamik der Adsorptionswärmepumpe ������������������������������  408 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  412 10  Feuchte Luft ��������������������������������������������������������������������������������������������������������  413 10.1 Zustandsgrößen feuchter Luft ����������������������������������������������������������������������  413 10.1.1 Relative Feuchte ������������������������������������������������������������������������������  414 10.1.2 Absolute Feuchte ������������������������������������������������������������������������������   415 10.1.3 Spezifisches Volumen ungesättigter feuchter Luft ��������������������������  417 10.1.4 Spezifische Enthalpie feuchter Luft ������������������������������������������������  419 10.2  Mollier-h, x-Diagramm feuchter Luft ��������������������������������������������������������  421 10.2.1 Druckabhängigkeit relativer Feuchte ����������������������������������������������  423 10.3 Isobare Zustandsänderungen feuchter Luft ��������������������������������������������������   425 10.3.1 Wärmetransfer ����������������������������������������������������������������������������������   425 10.3.2 Kühlung mit Taubildung ������������������������������������������������������������������  426 10.4 Mischung zweier feuchter Luftmassen ��������������������������������������������������������  429 10.5 Befeuchten mit Wasser oder Wasserdampf ��������������������������������������������������  434 10.5.1 Verdunstung ������������������������������������������������������������������������������������  437 10.5.2 Feuchtemessung mit dem Aspirationspsychrometer ������������������������  438 10.6 Trocknung ����������������������������������������������������������������������������������������������������  441 10.6.1 Natürliche Trocknung ����������������������������������������������������������������������  441 10.6.2 Trocknung durch erwärmte Luft ������������������������������������������������������  443 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  449 11 Verbrennungsprozesse ����������������������������������������������������������������������������������������   451 11.1 Einführung ��������������������������������������������������������������������������������������������������   451 11.2 Umwandlung der Brennstoffenergie ������������������������������������������������������������   452 11.2.1 Verbrennungsvorgang ����������������������������������������������������������������������   452 11.2.2 Eigenschaften der Brennstoffe ��������������������������������������������������������   453 11.3 Mengenberechnung bei der Verbrennung ����������������������������������������������������   455 11.3.1 Verbrennungsgleichungen für vollständige Verbrennung ����������������   456 11.3.2 Luftbedarf ����������������������������������������������������������������������������������������   459 11.3.3 Unvollständige Verbrennung ������������������������������������������������������������  462 11.4 Kontrolle der Verbrennung ��������������������������������������������������������������������������  467 11.4.1 Messmethoden ���������������������������������������������������������������������������������  467 11.4.2 Auswertung der Analyse ������������������������������������������������������������������  468 11.5 Energiebilanz der Verbrennung ��������������������������������������������������������������������  470 11.5.1 Anwendung des ersten Hauptsatzes ������������������������������������������������  470 11.5.2 Enthalpie und Temperatur des Verbrennungsgases ��������������������������  472 11.5.3 Kesselwirkungsgrad ������������������������������������������������������������������������  478

Inhaltsverzeichnis

XV

11.6 Anwendung des 2. Hauptsatzes auf die Verbrennung ����������������������������������  484 11.6.1 Reversible chemische Reaktion ������������������������������������������������������  485 11.6.2 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik ��������������������������������������������  486 11.6.3 Exergie der Brennstoffe und Verluste bei der Verbrennung ������������  486 11.7 Brennstoffzellen ������������������������������������������������������������������������������������������  487 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  490 12  Berechnung von Stoffeigenschaften ������������������������������������������������������������������  491 12.1 Zustandsgrößen idealer Gase ����������������������������������������������������������������������  491 12.1.1 Spezifisches Volumen ����������������������������������������������������������������������  492 12.1.2 Kalorische Zustandsgrößen ��������������������������������������������������������������  492 12.1.3 Dissoziation der Verbrennungsgase ������������������������������������������������  495 12.2 Stoffwertprogramm CoolProp ��������������������������������������������������������������������  496 12.3 Verfügbare Programme in Mathcad ������������������������������������������������������������  500 Literatur ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  500 Anhang ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  501 Deutsch-Englisch-Glossar ����������������������������������������������������������������������������������������  591 Sachverzeichnis ��������������������������������������������������������������������������������������������������������  599

Liste verwendeter Symbole

Symbol A a B b c cp

Bezeichnung Querschnittfläche Schallgeschwindigkeit Anergie Spezifische Anergie Geschwindigkeit spezifische isobare Wärmekapazität

Einheit m2 m/s J J/kg m/s J/(kg K)

cp

mittlere spezifische isobare Wärmekapazität

J/(kg K)

cv

spezifische isochore Wärmekapazität

J/(kg K)

cv

mittlere spezifische isochore Wärmekapazität

J/(kg K)

d, D E e Ex ex F f g g H h hu

Durchmesser Energie spezifische Energie Exergie spezifische Exergie Kraft spezifische freie innere Energie (Helmholtz-Energie) Erdbeschleunigung spezifische freie Enthalpie (Gibbs-Enthalpie) Enthalpie spezifische Enthalpie spezifischer Heizwert

m J J/kg J J/kg N J/kg m/s2 J/kg J J/kg J/kg

ho

spezifischer Brennwert

J/kg

hum

spezifischer molarer Heizwert

J/kmol

hom

spezifischer molarer Brennwert

J/kmol

I J j

Impuls Dissipationsenergie spezifische Dissipationsenergie

kg m/s J J/kg

XVII

XVIII

Liste verwendeter Symbole

L Lmin

Luftmenge der Verbrennung pro kmol Brenngas Mindestluftmenge pro kmol Brenngas

kmol/kmol kmol/kmol

l lmin

Luftmasse der Verbrennung pro kg Brennstoff Mindestluftmasse pro kg Brennstoff

kg/kg kg/kg

M Md

Molmasse Drehmoment

kg/kmol Nm

m m NA

Masse Massenstrom Avogadro-Konstante

kg kg/sw 1/kmol

n n na

Stoffmenge (Anzahl Mole) Polytropenexponent Arbeitsfrequenz

– – 1/s

nd

Drehzahl

1/s

Omin

Mindestsauerstoffmenge pro kmol Brenngas

kmol/kmol

omin

Mindestsauerstoffmasse pro kg Brennstoff

kg/kg

P Pi

Arbeitsleistung indizierte Leistung

W W

Pv

mechanische Verlustleistung

W

Peff

effektive Leistung

W

p q Q Q

Druck spezifische Wärme Wärme Wärmestrom

Pa J/kg J W

R Rm

spezifische Gaskonstante universelle (molare) Gaskonstante

J/(kg K) J/(kmol K)

r ri S S

Raumvektor Raum-, Volumenanteil der Komponente i Entropie zeitliche Änderung der Entropie, Entropiestrom

m – J/K W/K

s T t U u V V

spezifische Entropie thermodynamische Temperatur (Absoluttemperatur) Zeit innere Energie spezifische innere Energie Volumen Volumenstrom

v

spezifisches Volumen

J/(kg K) K s J J/kg m3 m3/s m3/kg

Liste verwendeter Symbole

XIX

W12

Arbeit

J

Weff 12

effektive Arbeit

J

Wi12

indizierte Arbeit

J

WN12

Nutzarbeit

J

Wp12

Druckänderungsarbeit

J

WV12

Volumenänderungsarbeit

J

w12

spezifische Arbeit

J/kg

x x xi

absolute Luftfeuchtigkeit Dampfmassenanteil, Dampfgehalt, Massenanteil Massenanteil der Komponente i

– – –

y yi

Molanteil Molanteil der Komponente i

– –

zR

Realgasfaktor



z β Δhv

geodätische Höhe, Weg isobarer Volumenausdehnungskoeffizient spezifische Verdampfungsenthalpie

m 1/K J/kg

Δhs

spezifische Schmelzenthalpie

J/kg

ɛ ɛ

Leistungszahl, Leistungsziffer, Arbeitszahl Kompressionsverhältnis V1/V2

– –

η ηC

Wirkungsgrad Carnot-Wirkungsgrad

– –

ηeff

effektiver Wirkungsgrad



ηs

isentroper Wirkungsgrad



ηm

mechanischer Wirkungsgrad, indizierter Wirkungsgrad



ηth

thermischer Wirkungsgrad



ϑ κ κ0

Celsius-Temperatur Isentropenexponent des idealen Gases isothermer Kompressibilitätskoeffizient

°C – 1/Pa

λ Ѱ

Luftverhältnis Druckverhältnis (Ottoprozess) p3/p2

– –

π

Druckverhältnis p2/p1



ρ ϕ ϕ

Dichte relative Luftfeuchtigkeit Einspritzverhältnis (Dieselprozess) V3/V2

kg/m3 – –

ω τ

Winkelgeschwindigkeit Temperaturverhältnis T2/T1

1/s –

XX

Liste verwendeter Symbole

Tiefgestellte Indizes Abhitzekessel AK Austritt a Adiabat ad ab Abfuhr, z. B. Qab abgeführte Wärme Br C D E e el F G i id irr KM KP KR k kin kr L m mix P pot R Rt r rev s T T t th U V v WP

Brennstoff, Verbrennung Carnot Wasserdampf Eis Eintritt Elektrisch Flüssigkeit, flüssiges Wasser Gas i-te Komponente Ideal Irreversibel Kältemaschine Kreisprozess Kontrollraum Kalt kinetische Energie kritischer Punkt Luft (trocken) Molar, auf die Molmasse bezogen Größe der Mischung Pumpe Potentielle Energie Rauchgas, Abgas, Verbrennungsgas Trockenes Rauchgas, Abgas, Verbrennungsgas Dimensionslose reduzierte Größe Reversibel Isentrop, Sättigungszustand Isotherm Turbine Trocken bei Rauchgas Thermisch Umgebungszustand Verdichter Isochor Wärmepumpe

Liste verwendeter Symbole w zu

Warm Zufuhr, z. B. Qzu zugeführte Wärme

0 Bezugszustand, Referenzzustand, Normzustand Auf die Masse der trockenen Luft bezogene Zustandsgröße 1 + x 1, 2, 3, … Zustandspunkt oder Komponente bei Gasgemischen 12, 23, … Zustandsänderung von 1 nach 2 bzw. 2 nach 3 beim Prozess Hochgestellte Indizes gesättigte (siedende) Flüssigkeit ʹ gesättigter, trockener Dampf ʺ

XXI

Suggest Documents